مهندسی برق

پایان نامه برق-مخابرات:طراحی و بهینه سازی فیلتر میان نگذر دوبانده مایکروویو با سطوح انتخابگر فرکانس

استاد راهنما
دکتر میرصالحی
تیر   1391


متن پایان نامه :
چکیده
 
در این پروژه طراحی فیلتر دو بانده مایکروویو با دو ساختار متفاوت با سطوح انتخابگر فرکانس بررسی و معایب و مزایای این دو ساختار بیان شده است. در ساختار اول از دو لایه سطح انتخابگر فرکانس با عنصر حلقه دایروی و در ساختار دوم از یک لایه سطح انتخابگر فرکانس با دو عنصر حلقه دایروی ادغام شده، استفاده شده است. در بخش اصلی پروژه طراحی یک فیلتر دوبانده میان­نگذر مایکروویو با ساختار نوع دوم در باند فرکانسی GHz 7 – 3 برای کاربردهایی مثل عایق­های تداخل الکترومغناطیس انجام شده و نشان داده شده است که پاسخ فرکانسی فیلتر طراحی شده نسبت به تغییرات زاویه تابش و قطبش موج تابشی پایدار است. از ویژگی­های این فیلتر کم حجم بودن و مقرون به صرفه بودن آن می­باشد. چون فرمول دقیقی برای بدست آوردن مشخصات مناسب این فیلترها وجود ندارد، تاثیر پارامترهای یک سلول واحد از هر کدام از فیلترها به وسیله نرم­ افزار CST بررسی شد. این پارامترها شامل دوره تناوب ساختار (p)، شعاع متوسط حلقه دایروی (r) و ضخامت حلقه دایروی (w) می­باشند. از شبیه­سازی­های انجام شده، نتایج زیر حاصل شد:

  • مهمترین عامل برای تغییر پهنای باند فیلتر، تغییر w است.
  • حساسیت فرکانس تشدید فیلتر به پارامترهای r و p نسبت به w بیشتر است.
  • تاثیر پارامتر r در تغییر فرکانس تشدید ناشی از زوایای تابش صفر و ۶۰ درجه، بیشتر از پارامترهای دیگر (r وw) است.

 
کلمات کلیدی: سطوح انتخابگر فرکانس، فیلتر دوبانده، فیلتر میان­نگذر مایکروویو، تئوری فلوکه
 
 
فهرست مطالب
 
فصل اول-مقدمه                                                                                                                         1
فصل دوم-سطوح انتخابگر فرکانس                                                                                           4
۲-۱ معرفی سطوح انتخابگر فرکانس   5
۲-۱-۱ چگونگی کنترل پاسخ فرکانسی سطوح انتخابگر فرکانس   6
۲-۱-۱-۱ شکل سطوح انتخابگر فرکانس   6
۲-۱-۱-۲ ضریب هدایت اجزاء   7
۲-۱-۱-۳ زیر لایه دی الکتریک   8
۲-۱-۱-۴ زاویه تابش موج مسطح   9
۲-۱-۲ جلوگیری از لوب ساینده   10
۲-۲ تحریک سطوح انتخابگر فرکانس   11
۲-۳ آرایه های مکمل   11
۲-۴ چگونگی تشکیل منحنی تشدید   12
۲-۴-۱ سطوح متناوب پیاپی بدون دی الکتریک                                                                                         13
۲-۴-۲ یک سطح متناوب با لایه های دیالکتریک   13
۲-۵ کاربردهای سطوح انتخابگر فرکانس   14
۲-۵-۱ کاهش تداخلات الکترومغناطیسی   14
۲-۵-۲ فیلترهای چند بانده   15
۲-۵-۲-۱ استفاده از چند سطح انتخابگر فرکانسی پیدرپی   16
۲-۵-۲-۲ استفاده گروهی از عناصر در یک سلول واحد   17
 
۲-۵-۲-۳ استفاده از چند عنصر ادغام شده در هم   18
۲-۵-۲-۴ استفاده از اجزاء مشدد حلقوی مربعی   19
 
فصل سوم-تئوری پایه­ای ساختارهای متناوب فضایی                                                               22
۳-۱ سری فلوکه و توابع مدی فلوکه   23
۳-۲ مودهای قابل انتشار ومیرا شونده فلوکه   26
 
فصل چهارم-طراحی فیلتر یک بانده مایکروویو                                                                        31
۴-۱ طراحی فیلتر میان نگذر برای کاربردهای باند مایکروویو                                                     32
۴-۱-۱ شکل جزء   35
۴-۱-۱-۱ تاثیر ابعاد عنصر   37
۴-۱-۱-۱-۱ پارامترهای تعیین کننده ابعاد عنصر   39
۴-۱-۲ تاثیر دی الکتریک        49
 
فصل پنجم-طراحی فیلتر دو بانده مایکروویو                                                                       53
۵-۱ استفاده از دولایه سطح انتخابگر فرکانس پی درپی   55
۵-۲ استفاده از یک لایه سطح انتخابگر فرکانس با دو عنصر ادغام شده[۲۷]   58
 
فصل ششم-نتیجه گیری و پیشنهادها                                                                                    62
۶-۱ نتیجه گیری   63
۶-۲ پیشنهادها   64
مراجع                                                                                                                                    66


فهرست شکل­ها
 
شکل ۲-۱ ساختارهای سطح انتخابگر فرکانس: (الف) آرایه­ای از تکه­ها، (ب) آرایه­ای از پنجره­ها [۱]                  5
شکل ۲-۲ چهار نوع فیلتر سطح انتخابگر فرکانس . مواد هادی با رنگ سیاه نشان داده شده اند [۲]                6
شکل ۲-۳ انواع اجزاء [۱]                                                                                                                                 7
شکل ۲-۴ تاثیر مقاومت بر عملکرد سطح انتخابگر فرکانس با اجزای حلقوی مربعی.                                       8
شکل ۲-۵ سطح انتخابگر فرکانس (الف) در داخل و (ب) روی لایه دی الکتریک [۲]                                          9 شکل ۲-۶ فاصله طراحی شده بین اجزا با یک سیگنال تابشی مایل [۲]                                                           9
شکل ۲-۷ انتشار لوب ساینده در جهت gη [۱]                                                                                                 10
شکل ۲-۸   ساختارهای متناوب هادی­ها با (الف ) حالت غیرفعال، (ب) حالت فعال [۱]                                       11
شکل ۲-۹ ساختار متناوب پیاپی [۱]                                                                                                              13
شکل ۲-۱۰   ساختار صفحه متناوب با دو لایه دی الکتریک و منحنی انتقال این ساختار [۱]                             13
شکل ۲-۱۱ تضعیف دیواربا ضخامت ۳۵ سانتی متر، با انواع متفاوت مواد : سیمان، آجر.                                  15
شکل ۲-۱۲ الف) نمای بالای سلول واحد، ب) نمای سه بعدی سلول واحد[۷]                                                    16
شکل ۲-۱۳ نتایج شبیه سازی و اندازه ­گیری فیلتر دوبانده[۷]                                                                          17
شکل۲-۱۴ ساختار فیلتر سطح انتخابگر فرکانس با عناصر چند گانه[۵]                                                           17
شکل ۲-۱۵ نتایج شبیه سازی فیلتر دوبانده با یک گروه از عناصر در یک سلول واحد[۵]                                18
شکل ۲-۱۶ الف) شکل سلول واحد، ب) مدار معادل سلول واحد[۱۳]                                                              19
شکل۲-۱۷ پاسخ فرکانسی فیلتر سه بانده[۱۳]                                                                                               19
شکل ۲-۱۸ ساختار مشدد حلقوی مربعی [۱۸]                                                                                                20
شکل۲-۱۹ ساختار فیلتر دوبانده با بهره گرفتن از عنصر مشدد حلقوی مربعی[۱۹]                                               20


شکل ۲-۲۰ نتایج شبیه سازی فیلتر دوبانده با بهره گرفتن از عناصر مشددهای حلقوی مربعی[۱۹]                         21           شکل ۳-۱ یک ارائه مسطتیلی با تناوب های a و b ]20[                                                                                  23
شکل ۳-۲ تابش یک موج تخت به سطح یک آرایه متناوب [۲۰]                                                                     27
شکل ۳-۳ مکان هندسی مود‌های منتشر شونده [۲۰]                                                                                       29
شکل۴‑۱ نمای سلول واحد در شبیه سازی با مودهای فلوکه                                                                           33
شکل۴‑۲ دو مود پورت فلوکه[ ۲۱]                                                                                                                 34
شکل ۴-۳ نمای سلول واحد در شبیه سازی درون موجبری                                                                             34
شکل ۴-۴ ابعاد اجزاء حلقه دایروی                                                                                                                  36
شکل ۴-۵ پاسخ فرکانسی FSS1 با ۱= rε و °۶۰ تا °۰= θ برای دو قطبش TE و TM                                   37
شکل ۴-۶ پاسخ فرکانسی FSS2 با ۱= rε و °۶۰ تا °۰= θ برای دو قطبش TE و TM                                   38
شکل ۴-۷ تغییرات پهنای باند ( dB20) با افزایش دوره تناوب ساختار (p)                                                    40
شکل ۴-۸ تغییرات فرکانس تشدید با افزایش دوره تناوب ساختار (p) در تابش عمودی (°.=θ)                     40
شکل ۴-۹ میزان تغییرات فرکانس تشدید در قطبش TE به ازای تغییر زاویه تابش از صفر تا ۶۰ درجه.         41
شکل ۴-۱۰ میزان تغییرات فرکانس تشدید در قطبش TM به ازای تغییر زاویه تابش از صفر تا ۶۰ درجه.        41
شکل ۴-۱۱ تاثیر تغییر پارامتر p (با ثابت نگه داشتن دیگر پارامترها) بر پاسخ فرکانسی FSS2 با ۱= rε .       42
شکل ۴-۱۲ تغییرات پهنای باند ( dB20) با تغییر شعاع متوسط حلقه دایروی (r)                                           43
شکل ۴-۱۳ تغییرات فرکانس تشدید با تغییر شعاع متوسط حلقه دایروی (r)                                                  43
شکل ۴-۱۴ میزان تغییرات فرکانس تشدید در قطبش TE به ازای تغییر زاویه تابش از صفر تا ۶۰ درجه .       44
شکل ۴-۱۵ میزان تغییرات فرکانس تشدید در قطبش TM به ازای تغییر زاویه تابش از صفر تا ۶۰ درجه.     44
شکل ۴-۱۶ تاثیر تغییر پارامتر r (با ثابت نگه داشتن دیگر پارامترها) بر پاسخ فرکانسی FSS2 با ۱r=ε.       45
شکل ۴-۱۷ تغییرات پهنای باند ( dB20) با تغییر ضخامت حلقه دایروی (w)                                                    46
شکل ۴-۱۸ تغییرات فرکانس تشدید با تغییر ضخامت حلقه دایروی (w)                                                        46
شکل ۴-۱۹ میزان تغییرات فرکانس تشدید در قطبش TE به ازای تغییر زاویه تابش از صفر تا ۶۰ درجه.     47
شکل ۴-۲۰ میزان تغییرات فرکانس تشدید در قطبش TM به ازای تغییر زاویه تابش از صفر تا ۶۰ درجه.     47


شکل ۴-۲۱ تاثیر تغییر پارامتر w (با ثابت نگه داشتن دیگر پارامترها) بر پاسخ فرکانسی FSS2 با ۱= rε .     48
شکل ۴-۲۲ تاثیر دی الکتریک بدون تلقات بر پاسخ فرکانسی الف) FSS1 و ب) FSS2                                  49
شکل ۴-۲۳ تاثیر دی الکتریک تلفاتی بر پاسخ فرکانسی الف) FSS1 و ب) FSS2                                         50
شکل ۴-۲۴ پاسخ فرکانسی FSS1 با زیرلایه دی الکتریک اعمال شده در دو طرف ساختار                               51
شکل ۴-۲۵ پاسخ فرکانسی FSS1 با زیرلایه دی الکتریک اعمال شده در یک طرف ساختار                             51
شکل ۴-۲۶ پاسخ فرکانسی FSS1 با زیرلایه دی الکتریک اعمال شده دردو طرف ساختار                              52
شکل ۴-۲۷ پاسخ فرکانسی شبیه سازی شده برای FSS1 با زیرلایه دی الکتریک اعمال شده در یک .         52
شکل۴-۲۸ تغییرات ثابت دی الکتریک موثر FSS2 بر حسب ضخامت زیرلایه                                                53
شکل ۵-۱ نمای یک سلول واحد از ساختار فیلتر دوبانده با دولایه سطح انتخابگر فرکانس                              56
شکل ۵-۲ پاسخ فرکانسی فیلتر دوبانده با ۳۸/۳= rε و °۶۰ تا °۰= θ برای دو قطبش TE و TM                 57
شکل ۵-۳ نمای یک سلول واحد از ساختار فیلتر دوبانده با یک لایه سطح انتخابگر فرکانس با دو .               58
شکل ۵-۴ تلفات تغبیه فیلتر دوبانده با سلول واحد نشان داده شده در شکل ۵-۳ .                                     59
شکل ۵-۵ تلفات تغبیه فیلتر دوبانده با تغییر ابعاد سلول واحد نشان داده شده در شکل ۵-۳ .                 60


فهرست جدول­ها
 
جدول شماره ۲-۱ عملکرد سطح انتخابگر فرکانس ها با اشکال متفاوت (یک سطح انتخابگر فرکانس.         7
جدول ۴-۱ ابعاد عنصر حلقه دایروی و فرکانس­های تشدید دو سطح انتخایگر فرکانس با تابش عمود         36
جدول ۴-۲ تغییرات فرکانس تشدید (Fr) و پهنای باند (BW) در زاویه تابش عمود، تغییرات.                 39
جدول ۴-۳ تغییرات فرکانس تشدید (Fr) و پهنای باند (BW) در زاویه تابش عمود، تغییرات.                 42
جدول ۴-۴ تغییرات فرکانس تشدید (Fr) و پهنای باند (BW) در زاویه تابش عمود، تغییرات.                45
جدول ۴-۵ تغییر ثابت دی الکتریک موثر با ضخامت زیرلایه برایFSS2                                                    53
جدول ۵-۱ ابعاد عنصر حلقه دایروی و فرکانس­های تشدید دو سطح انتخایگر فرکانس در تابش عمود         56
جدول ۵-۲ تغییر ابعاد سلول واحد فیلتر دوبانده برای رسیدن به فرکانس­های تشدید مد نظر .               60


فهرست اختصارات
 

Frequency Selective SurfaceFSS
Computer Simulation TechnologyCST
Finite Integration TechniqueFIT
Finite Difference Time DomainFDTD
Finite element methodFEM
High Frequency Structure SimulatorHFSS
Split-Ring ResonatorSRR
BandwidthBW

 
 
 


 
فصل اول
مقدمه
 
سطوح انتخابگر فرکانس ساختارهای متناوب مسطحی هستند که معمولا از تکه[۲]‌های هم اندازه یا پنجره‌هایی از جنس هادی که به صورت متناوب در یک یا دو بعد تکرار می‌شوند، تشکیل شده‌اند. قدیمی­ترین مرجع در مورد سطوح متناوب به ثبت اختراع مارکونی[۳] و فرانکلین[۴] در سال ۱۹۱۹ برای ساخت انعکاس دهنده سهموی[۵] برمی­گردد. بررسی ساختارهای متناوب تا سال ۱۹۶۰ که در آن زمان توانایی این ساختارها در کاربردهای نظامی کشف شد، پی­گیری نشد. از سال ۱۹۶۰ به بعد، سطوح انتخابگر فرکانس به طور گسترده­ای در زمینه طراحی آنتن­ها، رادار، فیلترهای فضایی، قطبی­کننده، ردوم و غیره مورد استفاده قرار گرفت. در بیشتر کاربردها، مثل مخابرات ماهواره­ای سطوح انتخابگر فرکانسی برای طراحی آنتن­های بازتابنده دوگانه[۶] استفاده می­شوند. ساخت چنین ساختارهایی در طول موج­های مایکروویو و در طراحی آنتن ها ساده است ولی در طول موج های مادون قرمز و نوری به این علت که اندازه اجزاء به کار رفته در ساختار باید در حد میکرومتر و حتی کوچکتر باشد، مشکل است و نیاز به روش­های لیتوگرافی پیشرفته دارد[۱].
سطوح انتخابگر فرکانس بسته به شکل اجزاء به کار رفته در ساختار و زیرلایه، دارای پاسخ‌های فرکانسی متفاوتی می­باشند. این سطوح به صورت فیلترهای الکترومغناطیسی­ای عمل می­ کنند که پاسخ فرکانسی آنها علاوه بر فرکانس به زاویه تابش و قطبش موج تابشی بستگی دارد. وقتی یک موج الکترومغناطیسی به این سطوح برخورد می­ کند در یک طیف فرکانسی موج را عبور می­ دهند و در طیف فرکانسی دیگر موج را منعکس می­ کنند؛ بنابراین می­توان آنها را به عنوان فیلترهای بالا گذر، پایین گذر، میان گذر و میان نگذر طراحی کرد.
در این پایان ­نامه در فصل ۲ شرح مختصری در مورد سطوح انتخابگر فرکانس و عوامل موثر در طراحی این ساختارها داده می­شود و در ادامه این فصل کاربردهای این ساختارها در بازه­های مختلف فرکانسی بررسی می­شوند. یکی از این کاربردها، طراحی فیلترهای چندبانده مایکروویو است که در این فصل ساختارهای متفاوتی که در سالهای گذشته پیشنهاد شده، بررسی ­می­شود.­ در فصل ۳ تئوری پایه­ای ساختارهای متناوب فضایی بررسی می­شود. در فصل ۴ فیلترهای یک بانده مایکروویو طراحی شده و با نرم­ افزار CST شبیه­سازی­های مربوطه انجام می­شود. در این فصل پارامترهای مهم برای رسیدن به مشخصات مطلوب فیلتر یک بانده میان­نگذر بررسی شده است. در فصل ۵ دو روش برای طراحی فیلتر میان­نگذر دوبانده تحلیل و بررسی شده و نتایج طراحی با بیان معایب و مزایا آورده شده است و سرانجام در فصل ۶ نتایج و پیشنهادها برای ادامه پروژه ارائه خواهد شد.
 
 
۱ Frequency selective surface (FSS)
[۲] Patch
[۳] Marconi
[۴] Franklin
[۵] Parabolic reflector
[۶] Dual-reflector
***ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود است***

متن کامل را می توانید دانلود نمائید

99